引 言

潜艇作为一种水下作战平台，以海水为天然掩体，比水面舰艇具有更好的隐蔽性，但在隐蔽自身的同时，也因此失去了水面航行状态所具有的连续获取卫星/无线电等外部信息的便利条件。由于无线电信号不能在水中传播，潜艇在水下要获取水面外部（如导航校准、通信等）信息，必须上浮至潜望状态将天线等传感器升出水面，以实现与外部平台间的信息收发。但随着现代反潜技术的飞速发展，对潜侦察手段不断得到增强，特别是天基侦察设施的迅速发展，潜艇上浮到近水面被发现的概率不断增大，因此潜艇一般处于较大的航行深度，且尽量减少近水面活动次数。在侦察和反侦察的对抗中，潜望状态获取外部信息方式越来越影响潜艇的隐蔽性，增加了潜艇的暴露率，容易导致潜艇被各种反潜平台发现，从而使潜艇处于被跟踪、甚至受到攻击的危险境地，已无法满足潜艇的作战使用需求，潜艇迫切需要具备水下隐蔽深度与外界进行通信、导航定位等信息交互的能力。为解决该难题，一般采用拖曳浮标，如德国的卡里斯托（Calisto）通信浮标，但其被潜艇拖曳时在水面的航迹仍然能被发现。一次性多功能抛弃式浮标则更多用于潜艇的对外发送信息，由于其在潜艇抛射后经一定延时再发送信息，能避免因无线电通信使潜艇被侦测定位的问题，但该浮标没有与潜艇的信息传输通道，只能对外发送信息，无法隐蔽获取信息。而采用抛弃式有线浮标搭载特定功能的传感器上浮到水面进行信息交互，并将信息通过连接导线传回艇内的方法，可保持获取信息传送到潜艇过程中的隐蔽性，是在特殊情况下解决该问题的一种有效途径。

1 浮标功能及组成

潜用抛弃式有线浮标由潜艇在水下一定深度通过艇上武器发射装置发射并依靠自身的浮力上浮，在上浮过程中浮标和潜艇两端均自由放线，保证两者间通过导线可靠连接；浮标上浮至水面后呈竖立状态漂浮，在特定海况下其头部应露出水面一定高度，利用安装在头部的相应功能传感器接收外部信息或对外发送信息，并将收到的外部信息通过与潜艇之间的连接导线传送至艇内显示控制设备，为本艇的作战使用提供技术支持。信息交互完毕，由艇内显示控制设备控制浮标启动自毁机构，使浮标进水并沉入海底，艇内控制将连接导线切断，发射装置关闭前盖并进行恢复，从而完成一次本艇在水下的对外信息交互过程。

依据上述功能，潜用抛弃式有线浮标系统组成应包括有线浮标、艇内显示控制设备和浮标释放装置三部分，详见图 1。其中，有线浮标为无动力水下运动浮体，为实现相应功能，浮标内应搭载功能传感器及控制单元、电源、放线机构、自沉机构等；浮标显示控制设备安装于艇内，浮标释放装置可借助艇上现有武器发射装置实现浮标体的释放。

2 关键技术及其解决思路 2.1 有线浮标总体设计技术

浮标总体设计应全面考虑浮标、发射装置、潜艇三者相互间的协调性。其总体布局必须保证：浮标壳体满足水下承压要求；浮标衡重参数适当，具有合适的正浮力以及重浮心距离；浮标能够由武器发射装置安全发射出管；浮标和潜艇运动过程中导线释放顺畅；浮标上浮至水面能够直立于水中，在一定的海况下具备较好的稳定性；浮标壳体水密良好，内部各机械、电子设备能够可靠工作。

首先，有线浮标由潜艇上的中小口径武器发射装置发射离艇，其外形、尺寸应满足发射装置对器材的要求，具有良好的水动力外形，一般采用水中兵器的细长圆柱外形。

其次，在浮标的整个运动过程中，浮标的衡重参数对其运动受力影响极大，决定着浮标的空间运动姿态和上浮时间，因此浮标的衡重参数在结构设计中有着非常重要的地位。由于浮标上浮到水面时要求为直立状态并露出水面一定高度，故浮标在海水中的浮力应大于重力一定值，同时浮标的浮心在上、重心在下，在保证浮标能够安全发射离艇的前提下，应尽量增大两者的间距以保证浮标在海面波浪中具有较好的姿态稳定性。在设计中，应综合权衡浮标内各种部件的安装位置和重量，同时尽量采用中心对称的圆盘形布置，避免偏心。

第三，根据浮标总体布置情况进行分区，适当设置水密耐压舱段的长度，结构上尽量采用模块化设计以方便组装。依据功能要求，可将浮标上部区域设置为水密耐压舱用于提供浮力，下部区域可设置为非水密舱。为保证浮标在水面与其他平台进行信息交互，功能传感器应安装在浮标露出水面的头部舱段内，顶部配置满足信号穿透性要求和水密耐压要求的非金属天线罩。浮标主体圆柱段可采用密度小、强度高、稳定性好的壳体材料。

最后，根据总体性能要求进行适当的调整，使浮标体重心位置尽量向尾部延伸，必要时可增加配重，确保达到预期的衡重参数，保证浮标体浮出水面后露出预定高度，且浮标体轴线垂直于水平面并具备良好的稳性。

2.2 导线动态安全释放技术

导线是浮标与潜艇之间的传输通道，是唯一的物理连接。因此，保证整个系统导线的连续顺畅放线，是浮标设计的另一个关键点。在保证信息传输要求的前提下，导线应具有较小的线径、抗拉强度高、外表涂覆层光滑，且密度与海水相当。从各方面性能比较来看，可优选光纤导线。

有线浮标可以采用单端放线技术，也可以采用双端放线技术。但综合考虑有线浮标发射离艇后，一方面浮标在自身浮力作用下不断向上运动，除需满足不断放线要求外还需考虑浮标体可能存在的旋转问题，在浮标体的上升过程中导线不能缠绕或断线；另一方面潜艇作为导线的另一终端并不是静止在发射位置，而是在继续低速移动，浮标与潜艇二者的相对位置始终在不断变化。为确保该过程中导线始终不受到过大的外力作用，可参考借鉴线导鱼雷放线机构相关技术，采用浮标和潜艇两端各安装一个线团的双向拉伸自由放线的双端放线方式。此外，还需考虑导线在发射管管口区不能受损并远离易导致断线的潜艇表层紊流区，可通过设置保护软管使潜艇端导线能够连续动态安全布放。

2.3 有线浮标发射适配技术

潜艇上的中小口径发射装置一般布置在舷侧，有的采用发射管斜向上方布置的水压平衡式发射装置；有的采用发射管水平横向布置的气动活塞不平衡式发射装置。因此，在浮标满足发射装置外形尺寸要求的前提下，应根据发射装置的发射原理，以不影响原有器材发射技术状态为原则，综合考虑发射管内的结构空间和浮标总体状态，采取必要的技术措施实现有线浮标的发射。

由于中小口径发射装置所发射的器材一般不带导线，发射离艇后即可不管；而有线浮标与潜艇之间要通过导线传输信息，即浮标在装入发射管后导线需要引出发射管与艇内浮标显示控制设备连接起来，这样才能在浮标与显示控制设备之间建立有线信息传输的通道，在信息交互完成后还要将导线切断并使之从艇上脱离。因此，其难点是如何在特定发射管内的狭小空间中实现艇端线团和切割装置的布置，以及如何将导线引出发射装置与艇内显示控制设备连接。

对于水压平衡式发射装置，可借鉴鱼雷发射管发射线导鱼雷的方法，考虑将艇端线团和切割装置固定在发射管后盖上，通过水密连接器穿过后盖使浮标导线与艇内显示控制设备连接起来。对于气动活塞不平衡式发射装置，由于管内的发射活塞在武器发射时是运动部件，且具有将发射活塞前端海水与后端发射气体隔离的功能，因此导线还需水密穿过发射活塞。如将艇端线团和切割装置固定在发射管后盖内壁上，艇端线团内导线难以水密动态穿过活塞布放到水中。为此，可考虑将艇端线团和切割装置固定在发射活塞内，再将导线水密穿过活塞和发射管后盖，此时只需实现静态水密即可满足要求，从而降低技术实现难度。

2.4 浮标离管安全控制技术

浮标离管安全控制技术可通过研究浮标在不同出管速度下的管内弹道轨迹，分析与发射管内壁的接触情况确定其安全出管速度。

在管内末弹道阶段，浮标在运动过程中与发射管体为点接触，是点约束下的运动。图 2 给出了浮标出管运动示意图，同时给出了坐标系。在一点约束下，即浮标与发射管内壁存在一个接触点，浮标运动具有 2 个自由度，取浮标的转角θ 及由约束点o 到浮标质心C 的轴向距离l 为 2 个独立的广义坐标，则浮标质心的x，y 坐标与广义坐标θ，l 的关系为

$ \left\{ \begin{array}{l} x = l\cos \theta+r\sin \theta\text{，} \\ y = l\sin \theta - r\cos \theta \text{。} \end{array} \right. $

(1)

式中r 为支点O 到质心C 的径向距离，是浮标坐标系中x 坐标的已知函数，因此r 也可转化为l 的已知函数，以r =r（l）表示。

浮标在管内末弹道阶段，受到的主动力可能有：重力mg，流体动力F_x 和F_y，根据虚位移原理，广义力F_l 与F_θ 分别为：

$ \left\{ \begin{array}{l} {F_l} = ({F_y}+mg)(\sin \theta - r'\cos \theta )+({F_x}+P)(\cos \theta+r'\sin \theta )\text{，}\\[5pt] {F_\theta } = ({F_v}+mg)(l\cos \theta - r\sin \theta )+({F_x}+P)(r\cos \theta - l\sin \theta )\text{。} \end{array} \right. $

(2)

代入第二类拉格朗日方程

$ \frac{\rm d}{{{\rm d}t}}\left[ {\frac{{\partial T}}{{\partial q}}} \right] - \frac{{\partial T}}{{\partial q}} = {F_q}\text{。} $

(3)

得到浮标管内末弹道的动力学方程组

$ \left\{ \begin{array}{l} \frac{\rm d}{{{\rm d}t}}\left[ {(1+{{r'}^2})\frac{{{\rm d}l}}{{{\rm d}t}}+(r - r'l)\frac{{{\rm d}\theta }}{{{\rm d}t}}} \right] - (l+rr'){\left[ {\frac{{{\rm d}\theta }}{{{\rm d}t}}} \right]^2} = \frac{{{F_l}}}{m}\text{，}\\[5pt] \frac{\rm d}{{{\rm d}t}}\left[ {({l^2}+{r^2}+{k^2})\frac{{{\rm d}\theta }}{{{\rm d}t}}+(r - r'l)\frac{{{\rm d}l}}{{{\rm d}t}}} \right] = \frac{{{F_\theta }}}{m}\text{。} \end{array} \right. $

(4)

再加上运动学方程

$ \left\{ \begin{array}{l} {\rm d}l/{\rm d}t = {v_l}\text{，}\\ {\rm d}\theta /{\rm d}t = \omega \text{。} \end{array} \right. $

(5)

以及关系式（1），便构成了一点约束下完整的浮标管内末弹道方程组。通过计算得出浮标下部后端点与管体内壁存在间隙时，即可判定浮标能够安全离管；若求得浮标下部后端点与管体内壁不存在间隙，即浮标与发射管发生两点约束，此时浮标离管安全性存在隐患，应通过增加浮标出管速度等措施进一步提高离管安全性。

2.5 浮标在海面的姿态稳定技术

浮标在海面应能抵御一定级别海况的影响，在随波浪摇摆的同时，搭载的传感器始终保持对外信息交互不能中断。因此，通过设计过程中的理论计算，在增大浮标的重浮心距离，使重力矩始终成为稳定力矩的同时，尽可能将浮标重心布置于中轴线上，以使浮标在静水中保持直立状态，在中小级风浪下不会大幅倾摇。为使浮标具备抵御水面较大风浪的能力，减小浮标在水中上下起伏的幅度，可在不影响浮标发射出管安全的前提下，通过设置能在水面打开的浮囊、折叠式减摇鳍等措施予以解决。

3 国外应用情况

国外潜艇使用抛弃式通信浮标进行隐蔽通信已有数十年的历史，该类浮标不带导线，主要用来实现潜艇隐蔽对岸指的单向通信，提升了潜艇向岸指紧急发信时的隐蔽性。使用时由潜艇将该浮标抛射离艇，浮标上浮到水面附近并根据预先设定经过延时后，再将信息发送出去，完成任务后沉没自毁。

英国 Plessey Marine 公司在 20 世纪 80 年代就研制了一次性潜艇通信浮标，用来为水下潜艇向水面船只和飞机发送战术情报和提供与抢救队紧急通讯的手段。该浮标直径约 10 cm，用 VHF 和 UHF 频段，由潜艇信号弹射器把浮标发射出去，浮标漂浮到水面上，展开可充气的天线，重复发送若干次后自动销毁。

潜用抛弃式有线浮标也已在国外得到应用，主要用于潜艇获取通信信息、导航定位、探测水下各深度剖面的温盐深信息等。如美国海军核潜艇即可利用有线通信浮标进行通信，浮标由艇上释放并通过光纤与艇上保持连接；浮标上浮到水面后，头部鼻锥弹开，露出水面，随后气囊充气，使浮标浮在水面保持工作状态，通过卫星与岸基进行通信。

21 世纪初，英美两国又联合开展了潜用可回收光纤系留浮标系统（RTOF）的研制。该系统的系留浮标体相对较大，尾部带有一根光缆与绞车装置连接。浮标体从装在潜艇上的存储舱中放出后，靠自身浮力漂浮至水面，同时潜艇上的绞车装置不断释放光缆使其几乎不受拉力。该浮标体可搭载通信、导航、侦察等功能部件，浮标体到达水面后漂浮在海面执行相应任务，而潜艇继续根据航行速度不断布放光缆以避免产生大的拉力，保持浮标体在海面的位置基本不变；在任务完成后，绞车反转，拖动浮标体收回到潜艇。

4 结 语

潜用抛弃式有线浮标可作为应用平台，根据不同的任务需求搭载相应功能的单元模块，如对外发送信息的单元模块、探测单元模块、侦察单元模块等，由潜艇施放后上浮到水面执行通信、探测、侦察等任务，通过连接导线与潜艇进行信息交互，从而既可满足潜艇对外界信息的获取要求，又保持了潜艇的水下隐蔽性。潜用抛弃式有线浮标的部分技术还与可回收式系留浮标技术类似，可进一步用于可回收式系留浮标的研制，因此具有较好的技术应用前景。